Ce que le télescope James-Webb nous apprend sur cette exoplanète potentiellement habitable

Trappist-1, c'est une étoile naine rouge -- comprenez qu'elle est plus froide que notre Soleil et à peine plus grande que JupiterJupiter -- située à environ 40 années-lumière de la Terre. Elle concentre beaucoup d'attentions parce qu'elle s'entoure d'au moins sept planètes. Des exoplanètes de taille terrestre. De quoi espérer une trouver des mondes habitables. Si ce n'est... habités !

Les astronomesastronomes attendaient avec impatience que le télescope spatial James-Webb (JWST) leur en dise un peu plus sur ces planètes. Notamment sur les deux plus proches de Trappist-1. Les scientifiques les appellent Trappist-1b et Trappist-1c. Et en mesurant leur émission infrarougeinfrarouge, il devrait être possible de savoir si ces exoplanètes comportent une atmosphèreatmosphère.

Atmosphère de Trappist-1b : gare aux « signaux fantômes »

Les premiers résultats publiés par les astronomes ces dernières semaines les ont décrites comme des exoplanètes probablement dépourvues d'atmosphère. Aujourd'hui, des chercheurs de l'université de Montréal (Canada) apportent, dans la revue Astrophysical Journal Letters, quelques précisions concernant tout particulièrement Trappist-1b. Grâce à des observations spectroscopiques menées alors que la planète passait devant son étoile. Lorsque la lumière d'une étoile traverse l'atmosphère de l'une de ses planètes, elle s'imprègne en effet d'une empreinte unique. Celle des atomesatomes et des moléculesmolécules qui composent cette atmosphère.

Et c'est justement sur ce point-là que les travaux des chercheurs de l'université de Montréal sont importants. Ils montrent que l'activité d'une étoile comme Trappist-1 -- les naines rouges présentent beaucoup de taches et sont secouées par de nombreuses et violentes éruptions -- peut générer des sortes de « signaux fantômes ». Des observations qui laissent penser de manière trompeuse à la détection qu'une molécule en particulier dans l'atmosphère d’une exoplanète. « Nous devons tenir compte de cela pour interpréter correctement les données renvoyées par le télescope spatial James-Webbtélescope spatial James-Webb », souligne Olivia Lim, auteur principale de l'étude, dans un communiqué de l’université de Montréal.

Pas d’atmosphère dense pour Trappist-1b

Les chercheurs ont donc intégré à leurs données un facteur qu'ils appellent de « contaminationcontamination stellaire ». De quoi leur permettre d'exclure quelques types d'atmosphère pour Trappist-1b. Avec un niveau de confiance élevé, ils avancent que les atmosphères sans nuagesnuages et riches en hydrogènehydrogène, par exemple, ne sont pas compatibles avec leurs données. Les chercheurs confirment ainsi les résultats (voir l'article plus bas) publiés en mars dernier : il ne semble pas y avoir d'atmosphère claire et étendue autour de Trappist-1b. Ils montrent aussi à quel point l'instrument NIRISSNIRISS est performant et sensible lorsqu'il se concentre sur l'étude des atmosphères planétaires.

Pas d'atmosphère significative, donc, pour Trappist-1b. Mais pourquoi pas une atmosphère plus fine ? Un peu comme celle qui entoure un satellite de SaturneSaturne, TitanTitan, seule lunelune de notre Système solaire à posséder sa propre atmosphère. Une atmosphère composée d'eau (H₂O), de dioxyde de carbonedioxyde de carbone (CO₂) et de méthane (CH₄). Les données du télescope spatial James-Webb ne permettent pour l'instant pas de l'exclure. Davantage d'observations seront encore nécessaires pour le découvrir.

L’exoplanète Trappist-1b est-elle une Terre 2.0 habitable ? Le télescope James-Webb a la réponse

Elle appartient à l'un des systèmes stellairessystèmes stellaires les plus prometteurs pour la recherche de vie extraterrestre : l'exoplanète Trappist-1b a été sondée par l'instrument MiriMiri du télescope James-Webb, à la recherche d'une atmosphère. Que nous révèlent ses données recueillies ?

Article de Léa Fournissons paru le 28/03/2023

Le téléscope James-Webb a sondé la planète Trappist-1b. © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (Nasa Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

Située à 40,5 années-lumière de la Terre, l'étoile Trappist-1 intrigue les astronomes depuis sa découverte en 1999. En effet, cette étoile naine rouge abrite au moins sept exoplanètes, toutes ayant des caractéristiques proches des planètes rocheusesplanètes rocheuses de notre Système solaireSystème solaire : taille, massemasse, ou encore densité ! Parmi elles, trois se trouvent dans la zone habitable, celle qui permettrait la présence d'eau à l'état liquideétat liquide.

C'est pourquoi l'une des premières missions du télescope James-Webb a été de se concentrer dessus, et de pointer son instrument Miri vers cet intriguant système planétaire. Il a ainsi pointé son viseur vers Trappist-1b, l'exoplanète la plus proche de l'étoile. Les résultats viennent juste d'être publiés dans Nature. « Ces observations tirent vraiment parti de la capacité infrarouge moyen de Webb », détaille Thomas Greene dans un communiqué de l'ESA, astrophysicienastrophysicien au centre de recherche Ames de la NasaNasa et auteur principal de l'étude. « Aucun télescope précédent n'avait la sensibilité nécessaire pour mesurer une lumière infrarouge moyenne aussi faible ».

Vue d'artiste du système Trappist-1 comparé au Système solaire. La surface de chaque planète Trappist-1 est basée sur des scénarios physiques possibles. La zone verte correspond à la « zone habitable » d'eau liquide. © Nasa/JPL-Caltech

Trappist-1b n'a pas d'atmosphère significative

D'un diamètre similaire à celui de la Terre, Trappist-1b se situe cependant bien plus proche de son étoile, avec une distance à son étoile 10 fois moindre que celle de entre MercureMercure et le Soleil. Mais, du fait de son étoile, une naine rouge dont le rayonnement est bien inférieur à celui du Soleil, une naine jaunenaine jaune, la lumière qu'elle reçoit est sensiblement similaire, équivalente à 4 fois celle de la Terre. Surtout, « cette planète est verrouillée par les maréesmarées, avec un côté faisant face à l'étoile à tout moment et l'autre dans l'obscurité permanente, explique Pierre-OlivierOlivier Lagage du CEA, coauteur de l'article. S'il y a une atmosphère pour faire circuler et redistribuer la chaleurchaleur, le côté jour sera plus frais que s'il n'y a pas d'atmosphère ».

Le verrouillage des marées, ou rotation synchrone, est le même mécanisme que pour le système Terre-Lune : il entraîne la rotation de la Lune autour de son axe à peu près dans le même temps qu'il lui faut pour orbiter autour de la Terre (animation de gauche). Si la Lune ne tournait pas du tout sur elle-même, elle montrerait alternativement sa face proche et sa face éloignée de la Terre (animation de droite). © Stigmatella aurantiaca, Wikimedia Commons

C'est justement ce qu'ont cherché les scientifiques : en utilisant une technique appelée spectroscopie d'éclipseéclipse secondaire, ils sont parvenus à mesurer le changement de luminositéluminosité du système lorsque la planète passe derrière l'étoile. Ensuite, il est possible de revenir à la luminosité de la planète en soustrayant la mesure durant l'éclipse à celle sans éclipse. Le tout dans l'infrarouge grâce à l'instrument Miri de James-Webb, qui correspond au rayonnement thermiquerayonnement thermique. Cette luminosité peut ensuite être reliée à la température de la planète, donc à la présence - ou non - d'atmosphère !

Les résultats sont plutôt décevants : il n'y en a pas ! « Nous avons comparé les résultats à des modèles informatiques montrant ce que devrait être la température dans différents scénarios, détaille Elsa Ducrot, scientifique au CEA et coauteure de l'étude. Les résultats sont presque parfaitement cohérents avec un corps noircorps noir constitué de roche nue et sans atmosphère pour faire circuler la chaleur. Nous n'avons pas non plus vu de signes d'absorptionabsorption de la lumière par le dioxyde de carbone, ce qui serait apparent dans ces mesures ». 

C'est grâce à la baisse de luminosité lorsque Trappist-1b passe derrière son étoile que les chercheurs ont pu caractériser l'exoplanète. La diminution de la luminosité lors de l'éclipse secondaire est inférieure à 0,1 %. © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (Nasa Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)

« Une étape vraiment importante dans l'histoire de la découverte d'exoplanètes »

Si ce résultat n'est pas positif, il permet en revanche de confirmer les capacités de James-Webb, et reste très encourageant pour la suite. Car, pour la toute première fois, une exoplanète tempérée a été caractérisée. « Il y avait une cible que je rêvais d'avoir, ajoute P. Lagage. Et c'était celle-ci. C'est la première fois que nous pouvons détecter l'émission d'une planète rocheuse et tempérée. C'est une étape vraiment importante dans l'histoire de la découverte d'exoplanètes ».

Par la suite, d'autres planètes du système Trappist-1, ou même d'autres systèmes planétaires seront sondés de la même façon. En particulier autour des naines rouges, les étoiles les plus probables pour la détection de vie extraterrestre. « Il y a dix fois plus de ces étoiles dans la Voie lactéeVoie lactée qu'il y a d'étoiles comme le Soleil, et elles sont deux fois plus susceptibles d'avoir des planètes rocheuses que des étoiles comme le Soleil, conclut TT. P. Greene. Mais ils sont aussi très actifs -- ils sont très brillants quand ils sont jeunes et ils émettent des fuséesfusées éclairantes et des rayons Xrayons X qui peuvent anéantir une atmosphère ».

Comparaison de la température diurne de Trappist-1 b mesurée à l'aide de l'instrument à infrarouge moyen de Webb (MIRI) avec des modèles informatiques montrant ce que serait la température dans diverses conditions. © Nasa, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI), T. P. Greene (Nasa Ames), T. Bell (BAERI), E. Ducrot (CEA), P. Lagage (CEA)